第1章 電力電子器件

第一章電力電子器件電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。電力電子器件種類很多。并且各有特點(diǎn)。按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三類。（1）不可控器件。器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而是需要根據(jù)外電路條件決定其導(dǎo)通，關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。電力二極管就屬于此類器件。（2）半控型器件。通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半可控器件。例如，晶閘管及其大部分派生器件等。.（3）全控型器件。通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通又可以控制其關(guān)斷的器件稱為全控型器件。例如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）等。

第一節(jié)晶閘管

一、晶閘管的結(jié)構(gòu)

圖1-1晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號（a）晶閘管的外形；（b）結(jié)構(gòu)；（c）電氣符號二晶閘管的工作原理可以通過圖1一2所示的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)電路來說明晶閘管的工作原理.在該電路中由電源Ea、白熾燈、晶閘管的陽極和陰極組成晶閘管的主電路;由電源Eg、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路，也稱為觸發(fā)電路.圖1-2晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)電路圖通過上述實(shí)驗(yàn)可知。晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)其備兩個(gè)條件：（1）晶閘管主電路加正向電壓。（2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。門極流入足夠的觸發(fā)電流。

下面通過通過晶閘管的互補(bǔ)三極管等效電路，進(jìn)一步說明晶閘管的工作原理。圖1-3晶閘管等效電路

在晶閘管導(dǎo)通之后，如果控制極電流消失，由于晶閘管內(nèi)部已經(jīng)形成強(qiáng)烈的正反饋。晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài).

要想關(guān)斷晶閘管：最根本的方法就是必須將陽極電流減小大使之不能維持正反饋的程度。即設(shè)法將晶閘管的陽極電流減小到維持電流以下?？刹捎玫姆椒ㄓ校簩㈥枠O電源斷開；或者在陽極和陰極間加反向電壓.控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通.導(dǎo)通之后，控制極就失去了作用，不能令其關(guān)斷.從這個(gè)意義上來講。晶閘管被稱為半控型器件。三、晶閘管的伏安特性晶閘管陽極與陰極間的電壓UA和陽極電流IA的關(guān)系稱為陽極伏安特性，要正確使用晶閘管必須了解其伏安特性。圖1-4所示為晶閘管陽極伏安特性曲線.包括第一象限的正特性和第三象限的反向特性兩部分。圖1-4晶閘管陽極伏安特性曲線UDRM、URRM-正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；UDRM、URSM-正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；UBO-自然正向轉(zhuǎn)折電壓；URO-反向擊穿電壓四、晶閘管的主要參數(shù)（一）晶閘管的電壓定額1．正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在額定結(jié)溫下，在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下?？芍貜?fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為正向重復(fù)峰值電壓UDRM(國際規(guī)定重復(fù)頻率為50Hz，每次持續(xù)時(shí)間不超過10ms)。一般規(guī)定此電壓為自然正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80%，為正向不重復(fù)峰值電壓UDSM的90%。2.反向重復(fù)峰值電壓URRM在額定結(jié)溫下.控制極斷路時(shí).可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓稱為反向峰值電壓URRM.,此電壓取反向擊穿電壓URO的80%，為反向不重復(fù)峰值電壓URSM的90%。晶閘管額定電壓UTN晶閘管額定電壓通常是這樣標(biāo)定的，通常取實(shí)測UDRM和URRM中的較小值.按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓每級就低取讀數(shù).作為該晶閘管的額定電壓.規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級:在1000V以下。每隔100V為一級；1000~3000V，每隔200V為一級。選用元件額定電壓時(shí)應(yīng)取正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍，即考慮2~3倍的安全裕量，UTN=(2~3)UTM。（二）晶閘管的電流額定1.通態(tài)平均電流IT（AV）在環(huán)境溫度為40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱的條件下。晶閘管在導(dǎo)通角不小于170°的電阻性負(fù)載電路中，當(dāng)結(jié)溫不超過額定結(jié)溫且穩(wěn)定時(shí)，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值，稱為額定通態(tài)平均電流IT（AV）,簡稱額定電流。按照標(biāo)準(zhǔn)，取其整數(shù)作為該器件的額定電流。如果正弦半波電流的最大值為Im，則額定電流有效值為然而在實(shí)際使用中，流過晶閘管的電流波形形狀、波形導(dǎo)通角并不是一定的，各種含有直流分量的電流波形都有一個(gè)電流平均值（即一個(gè)周期內(nèi)波形面積的平均值），也就有一個(gè)電流有效值(即均方根值)，現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用Kf表示，即根據(jù)式（1-3）可求出正弦半波電流的波形系數(shù)

因此在實(shí)際中，選擇晶閘管額定電流IT（AV）應(yīng)遵循以下原則:所選晶閘管額定電流有效值IN要大于元件在電路中可能流過的最大電流有效值ITM，取1.5~2倍的安全裕量，即

2.維持電流IH在室溫且控制極斷路時(shí).維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小陽極電流稱為維持電流IH.維持電大的晶閘管容易被關(guān)斷.維持電流與元件容最、結(jié)溫等因素有關(guān)，結(jié)越高，IH越小.通常在晶閘管的銘牌上.標(biāo)明了常溫下IH的實(shí)測值。3.掣住電流IL給晶閘管加合適陽極電壓，門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)原件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱為掣住電流IL，對同一晶閘管來說，掣住電流IL要比維持電流IH大2~4倍。（三）動態(tài)參數(shù)

晶閘管是一種無觸點(diǎn)開關(guān)，在導(dǎo)通與限斷兩種工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換并不是瞬時(shí)完成的，而是需要一定的時(shí)間。當(dāng)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷頻率較高時(shí)，這種時(shí)間的影響就不得不考慮進(jìn)去而無法忽略。1.開通時(shí)間tG一般規(guī)定：當(dāng)觸發(fā)電流流入門極，現(xiàn)在J2結(jié)靠近門極附近形成導(dǎo)通區(qū)，逐漸擴(kuò)展到J2結(jié)的全區(qū)域，這段時(shí)間稱為開通時(shí)間tG，普通晶閘管的tG為幾十微妙以下，快速晶閘管可以達(dá)到1μs。開通時(shí)間與處罰脈沖的陡度大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。2.關(guān)斷時(shí)間tGD把額定結(jié)溫下，晶閘管從正向陽極電流下降為零到其恢復(fù)正向阻斷能力為止所需要的這段時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間tGD。 晶閘管的關(guān)斷時(shí)間與元件結(jié)溫、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。普通晶閘管的tGD為幾十到幾百微秒，快速晶閘管可短至1μs。.3.通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，元件在門極開通時(shí)能承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率.稱為通態(tài)電流臨界上升率di/dt。如果陽極電流上升得太快·則會導(dǎo)致門極附近的PN結(jié)J2因電流密度過大局部過熱而燒毀.使晶閘管損壞。限制電流上升率的有效辦法遞串接空芯電感。

4.斷態(tài)正向電壓臨界上升率du/dt在額定結(jié)溫和門極斷路情況下.使元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，元件所加的最小正向電流上升率，稱為正向電壓臨界上升率du/dt。晶閘管在阻斷狀態(tài)下結(jié)面J2相當(dāng)于一個(gè)電容。若突然加一正向陽極電壓..便會有一個(gè)充電電流流過.該充電電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到相當(dāng)于門極觸發(fā)電流的作用·如果電壓上升率過大會使充電電流足夠大，將使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通.因此使用中實(shí)際電壓上升率必須低于此臨界值。要限制du/dt，可在元件兩端并聯(lián)限容支路或門極反向偏置。五、晶閘管的型號及簡單測試方法（一）晶閘管的型號按國家標(biāo)準(zhǔn)《國產(chǎn)晶閘管的型號命名》(JB1144一1975)規(guī)定，普通硅晶閘管型號中各部分的含義如圖1-5所示。圖1-5晶閘管型號的含義（二）晶閘管的簡單測試方法對于晶閘管的三個(gè)電極,可以用萬用表粗測其好壞。依據(jù)PN結(jié)單相導(dǎo)電原理用，表歐姆檔測試元件的各個(gè)電極之間的阻值?？沙醪脚袛喙茏邮欠裢旰?。如用萬用表R×1kΩ檔測量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以上.且正、反向電阻相差很小;用R×10Ω或R×100Ω檔測量控制極G和陰極K之間的阻值.其正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻、這樣的晶閘管是好的.如果陽極與陰極或陽極與控制極間有短路，陰極與控制極間為短路或短路，則說明晶閘管是壞的。六、晶閘管的派生器件在晶閘管的家族中，除了最常用的普通型晶閘管之外，根據(jù)不同的實(shí)際需要，在普通晶閘管的基礎(chǔ)上衍生出了一系列的派生器件，它們是采用不同材料和工藝制造的有特殊功能的晶閘管·主要有快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管(TRIAC).逆導(dǎo)晶閘管（RCT）和光控晶閘管(LTT)等，下面分別作簡要介紹。

〔一〕快速晶閘管(FastSwitchThyristor,FAT)快速晶閘管是為了快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，有常規(guī)的快速晶閘管（開關(guān)頻率在400Hz以上)和工作在更高頻率(開關(guān)頻率在10kHz以上)的高頻晶閘管;它們的外形、電氣符號、基本結(jié)構(gòu)，伏安特性及使用都與普通晶間管相同.由于對晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。從關(guān)斷時(shí)間上看.將通晶閘管關(guān)斷時(shí)間為數(shù)百微秒?？焖倬чl管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管為1us左右。與普通晶閘管相比高頻晶閘管的不足在于其電壓不易做高。由于工作頻率較高。不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。（二）雙向晶閘管(TriodeAC.Switch.TRIAC.)雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路、電氣符號和伏安特性分別如圖1–6（a）、（b）、（c）、（d）所示。圖1-6雙向晶閘管（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（b）等效電路；（c）電氣符號；（d）伏安特性(三）逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor，RCT）逆導(dǎo)晶閘管在逆變或直流電路中經(jīng)需要將晶閘管和二極管反向并聯(lián)使用，逆導(dǎo)晶閘管就是根據(jù)這一要求將晶閘管和二極管集成在同一硅片上制造而成的·其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路，電氣符號和伏安特性分別如圖1-7(a)、（b）（c）所示。圖1-7逆導(dǎo)晶閘管（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（b）等效電路；（c）電氣符號（d）伏安特性

（四）光控晶閘管（LightTriggeredThyristor，LTT）光控晶閘管又稱光控觸發(fā)晶閘管，它與普通晶管不同的是，其門極集成了一個(gè)光電二極管?？衫靡欢úㄩL的光照信號代替電信號觸發(fā)器件，使其導(dǎo)通。圖1-8（a）、（b）所示分別為光控晶閘管的的電氣符號和伏安特性曲線。

圖1-8管控晶閘管（a）電氣符號；（b）伏安特性曲線

晶閘管問世后不久門極可關(guān)斷晶就出現(xiàn)了.20世紀(jì)80年代以來電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管，電力場效晶體管、絕緣柵極雙極晶閘管就是全控型電力電子器件的典型代表。.第二節(jié)全控電力電子器件一、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）門極可關(guān)斷晶閘管（GateTurnOffthyristor,GTO）也是晶閘管的一種派生器件.它具有普通晶閘管的全部特性，如耐壓高(工作電壓可高達(dá)6000V)、電流大（電流可達(dá)到6000A）)以及造價(jià)便宜等.同時(shí)又具有門極正脈沖信號觸發(fā)導(dǎo)通.、門極負(fù)脈沖信號觸發(fā)關(guān)斷的特性，屬于全控型雙極型器件.（一）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1-9GTO內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號（a）各單元陰極、門極間隔排列的圖形；（b）并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖；（c）電氣圖形符號圖1-10GTO結(jié)構(gòu)和等效電路（三）GTO的緩沖電路電力電子器件開通時(shí)流過的很大的電流，阻斷時(shí)承受很高的電壓；尤其在開關(guān)轉(zhuǎn)換的瞬間，電路中各個(gè)儲能元件的能量釋放會導(dǎo)致器件經(jīng)受很大的沖擊，有可能超過器件的安全工作區(qū)而導(dǎo)致?lián)p壞。附加各種緩沖電路，目的不僅是降低浪電壓、du/dt和di/dt，還希望能減少器件的開關(guān)損耗、避免器件損壞和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。吸收過電壓的有效方法是在器件兩端并聯(lián)一個(gè)吸收過電壓的阻容電路。圖1-11(a)所示為只能用于小電流電路的緩沖電路器，圖1-11(b)與圖1-11(c)所示為較大容量GTO電路中常見的緩沖器，盡量選用快速型、接線短的二極管，這將使緩沖器阻容效果更顯著。圖1-11GTO阻容緩沖電路（四）GTO的門極驅(qū)動電路GTO門極觸發(fā)方式通常有以下三種。（１）直流觸發(fā)：在GTO被觸發(fā)導(dǎo)通期間，門極一直加有直流觸發(fā)信號。（２）連續(xù)脈沖觸發(fā)：在GTO被觸發(fā)導(dǎo)通期間，門極仍加有連續(xù)觸發(fā)脈沖，所以也稱脈沖系觸發(fā)。（３）單脈沖觸發(fā)：即常用的脈沖觸發(fā)，應(yīng)提高脈沖的前沿陡度，增大脈沖幅度和寬度，才能使GTO的大部分或全部達(dá)飽和導(dǎo)通狀態(tài)。圖1-12（a）、（b）所示兩種觸發(fā)電路都只能用于300A以下的GTO的導(dǎo)通，對于300A以上的GTO可用圖1-12（C）所示的觸發(fā)電路來控制。當(dāng)晶體管V1和二極管VD導(dǎo)通時(shí)，GTO被觸發(fā)導(dǎo)通；當(dāng)晶體管V2和晶閘管VT導(dǎo)通時(shí)，GTO被門極反向電壓關(guān)斷。由于控制電路與主電路之間采用變壓器進(jìn)行隔離，GTO導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)的電流不影響控制電路，提高了電路的容量，實(shí)現(xiàn)了用較小電壓對大電流電路的控制。圖1-12GTO的門極驅(qū)動電路（五）GTO的典型應(yīng)用GTO作為全控型電力電子器件，主要用于高電壓、大功率的直流變換電路（即斬波電路）、逆變器電路等需要原件強(qiáng)迫關(guān)斷的場合，例如恒壓恒頻電源（CVCF）、不間斷電源（UPS）等。另一類GTO的典型應(yīng)用是調(diào)頻調(diào)壓電源，即VVVF，此電源多用于風(fēng)機(jī)、水泵、軋機(jī)、牽引等交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中。

圖1-13用電感、電容關(guān)斷GTO的點(diǎn)火電路二、大功率晶體管（GTR） 大功率晶體管又可稱為電力晶體管（GiantTransistor，GTR，直譯為巨型晶體管），是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor，BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。GTR的電氣符號與普通晶體管相同。圖1-14所示為某晶體管廠生產(chǎn)的1300系列GTR的外形.圖1-14GTR外形（一）GTR的結(jié)構(gòu)及其工作原理

圖1-15GTR內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖、電氣圖形符號、ＧＴＲ內(nèi)部載流子的流動（ａ）斷面示意圖；（ｂ）電氣圖形符號；（ｃ）內(nèi)部載流子的流動（四）GTR的驅(qū)動電路和保護(hù)電路(1）簡單的雙電源驅(qū)動電路如圖1-18所示.圖１－１８雙電源驅(qū)動電路2.GTR的保護(hù)電路由于GTR是一種大功率電力器件，常工作于大電流、高電壓的場合，為了保證GTR的組成的系統(tǒng)安全可靠地正常運(yùn)行.要采取有效措施對GTR實(shí)施保護(hù)，一般來說，GTR保護(hù)分為過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、電流變化率di/dt限制和電壓變化率du/dt限制等幾個(gè)方面。圖１－１９耗能式緩沖電路

（2）GTR的過電流、短路保護(hù)。GTR存在二次擊穿等問題，由于二次擊穿很快.遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快速熔斷器的熔斷時(shí)間，因此諸如快速熔斷器之類的過電流保護(hù)方法對GTR類電力電子設(shè)備來說是無用的。所以GTR的過電流保護(hù)要依賴于驅(qū)動和特殊的保護(hù)電路。對GTR進(jìn)行過流保護(hù)的一般做法是:利用參數(shù)狀態(tài)識別對單個(gè)器件件進(jìn)行自適應(yīng)保護(hù):利用互鎖辦法對橋臂中的兩個(gè)器件進(jìn)行保護(hù)。利用常規(guī)的辦法對電力電子裝置，進(jìn)行最終保護(hù).上述三個(gè)辦法中，單獨(dú)使用任何一種辦法都不能進(jìn)行有效保護(hù).只有綜合應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)全方位的保護(hù).下面對前兩種方法加以介紹。

圖１－２０識別保護(hù)電路2)橋臂互鎖保護(hù).逆變器運(yùn)行時(shí)?？赡馨l(fā)生橋臂短路故障，造成器件損壞.只有確認(rèn)同一橋臂的一個(gè)GTR關(guān)斷后.另一個(gè)GTR才能導(dǎo)通，這樣能防止兩管同時(shí)導(dǎo)通.避免橋臂短路.同時(shí)GTR的熱容量極小。過電流能力很低.要求故故障檢測、信號傳送及保護(hù)動作能時(shí)間完成，要在微妙級的時(shí)間內(nèi)將電流限制在過載能力的限度以內(nèi)，采用橋臂的互鎖保護(hù)。不但能提高可靠性。而且可以改進(jìn)系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高系統(tǒng)的工作頻率.圖1一21所示為GTR橋臂互鎖保護(hù)的示意圖.圖１－２１ＧＴＲ橋臂互鎖保護(hù)示意圖（五）GTR的應(yīng)用下面通過介紹一個(gè)簡單的直流傳動的例子來說明GTR的應(yīng)用。GTR在直流傳動系統(tǒng)中的功能是直流電壓變換，即斬波調(diào)壓。圖１－２２ＧＴＲ在直流斬波調(diào)壓電路的應(yīng)用三、功率場效應(yīng)管（P-MOSFET）場效應(yīng)晶體管根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管和絕緣柵金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱為靜電感應(yīng)晶體管((StaticInductionTransistor,SIT)。功率場效應(yīng)晶體管通常主要是指絕緣柵型中的MOS型，又常被稱為電力場效應(yīng)晶體管，簡稱P-MOSFET(PowerMOSFET)，用字母PM表示。

(一)功率場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及工作原理

圖１－２３Ｐ－ＭＯＳＦＥＴ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號（ａ）結(jié)構(gòu)；（ｂ）電氣圖形符號圖１－２４PM的圖形符號及其在變流電路中的實(shí)際形式（a）PM的圖形符號；（b）變流電路中的實(shí)際形式

(二)P-MOSFET的主要參數(shù)1.漏極電壓UDS這是標(biāo)稱P-MOSFET的電壓定額參數(shù)，該電壓決定了P-MOSFET的最高工作電壓。2.漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM這是標(biāo)稱P-MOSFET的電流定額參數(shù)，表征P-MOSFET的電流容量3.柵一源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄,>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。該電壓表征了P-MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。4.開啟電壓UV開啟電壓UV又稱閥值電壓，該電壓是指P-MOSFET流過一定量的漏極電流時(shí)的最小柵源電壓。(三)功率場效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動電路1.P-MOSFET對柵極驅(qū)動電路的要求(1)保證P-MOSFET可靠開通和關(guān)斷。觸發(fā)脈沖前、后沿要求陡峭，但也要考慮過陡的觸發(fā)脈沖使管子在開通時(shí)承受的過高的電流沖擊。(2)減小驅(qū)動電路的輸入電阻以提高柵極充放電速度，從而提高P-MOSFET的開關(guān)速度。(3)觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在P-MOSFET截止時(shí)能提供負(fù)的柵源電壓。(4)驅(qū)動電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，避免功率電路對控制信號造成干擾。(5)驅(qū)動電路應(yīng)能提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能，使得功率管可靠工作，如低壓鎖存保護(hù)、過電流保護(hù)、過熱保護(hù)及驅(qū)動電壓籍位保護(hù)等。2.驅(qū)動電路舉例(1)直接驅(qū)動電路。圖1-25所示為一種數(shù)控逆變器(2)隔離驅(qū)動電路。圖1-26所示為一種變壓器隔離驅(qū)動電路。圖1-25數(shù)控逆變器圖1-26變壓器隔離驅(qū)動電路(四)P-MOSFET的保護(hù)1.靜電保護(hù)在靜電較強(qiáng)的場合，P-MOSFET容易靜電擊穿，造成柵源短路，為了避免其擊穿可采取的措施有：(1)應(yīng)將其存放在防靜電包裝袋、件管殼，而不要拿引線。導(dǎo)電材料包裝袋或金屬容器中。取用器件時(shí)，應(yīng)拿器件管殼，而不要拿線。(2)工作臺和烙鐵都必須良好接地，最好使用12~24V的低電壓烙鐵，且前端作為接地端，先焊柵極，后焊漏極與源極。(3)在測試P-MOSFET時(shí)，測量儀器和工作臺都必須良好接地，P-MOSFET的三個(gè)電極未全部接入測試儀器或電路前，不要施加電壓。改換測試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零。

2.柵源間的過電壓保護(hù):適當(dāng)降低驅(qū)動電路的阻抗，在柵源間并接阻尼電阻。3.短路、過電流保護(hù)P-MOSFET的過電流和短路保護(hù)與GTR基本類似，僅是快速性要求更高。在故障信號取樣和布線上要考慮抗干擾，并盡可能減小分布參數(shù)的影響。4.漏源間的過電壓保護(hù)在感性負(fù)載兩端并接鉗位二極管，在器件漏源兩端采用二極管VD及RC柑位電路或采用RC緩沖電路，圖1一27所示。圖1-27漏源間的過電壓保護(hù)電路（a）采用二極管即RC鉗位電路；（b）采用RC緩沖電路(五)P-MOSFET的應(yīng)用P-MOSFET有如下特點(diǎn):(1)P-MOSFET屬電壓控制器件，驅(qū)動電路簡單，可直接與數(shù)字邏輯集成電路連接;(2)開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)1MHz，比GTR器件快10倍，可實(shí)現(xiàn)高頻斬波，開關(guān)損耗小;(3)為負(fù)電流溫度系數(shù)，即器件內(nèi)的電流隨溫度的上升而下降的負(fù)反饋效應(yīng)，因此熱穩(wěn)定性好，不存在二次擊穿問題，安全工作區(qū)SOA較大。由于P-MOSFET有上述特點(diǎn)，因此常用作高頻的主開關(guān)功率器件。

四、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor,IGBT或IGT)是20世紀(jì)80年代中期問世的一種新型電力電子器件，是將GTR和MOSFET相互取長補(bǔ)短適當(dāng)結(jié)合而形成的復(fù)合器件，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)。由于其兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和GTR的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，近幾年發(fā)展十分迅速。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級達(dá)4500V，工作頻率達(dá)5OkHz?，F(xiàn)在IGBT已取代了原來GTR的一部分市場，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，并在繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期取代GTO的地位。

(一)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT的結(jié)構(gòu)、電氣符號及等效電路如圖1-28所示，IGBT的結(jié)構(gòu)是在P-MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改善，又增加了一個(gè)P+層，因而形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J.，這使得IGBT具有很強(qiáng)的同流能力。圖1-28IGBT的結(jié)構(gòu)、電氣符號及等效電路（a）IGBT的結(jié)構(gòu)；(b)電氣符號；（c）等效電路〔四)IGBT的驅(qū)動電路及保護(hù)電路1.驅(qū)動電路由于IGBT和P-MOSFET的輸人特性幾乎相同，因此其驅(qū)動電路同樣可以相互適用。圖1一30所示為一種脈沖變壓器直接驅(qū)動IGBT的電路。IGBT的柵極驅(qū)動電路形式繁多，比如專用的集成驅(qū)動電路就有性能好、體積小、方便可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，關(guān)于IGBT一專用驅(qū)動集成模塊的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及使用說明可查閱其相應(yīng)產(chǎn)品手冊。圖1-30IGBT的驅(qū)動電路

2.IGBT的保護(hù)(1)靜電保護(hù)IGBT的輸人級為MOSFET,所以IGBT也存在靜電擊穿的問題，防靜電保護(hù)極為必要?？刹捎肕OSFET防靜電保護(hù)方法。(2)過電流保護(hù)。IGBT作為一種大功率電力電子器件常用于大電流、高電壓的場合，因此對其采取保護(hù)措施以防器件損壞就顯得非常重要與GTR一樣IGBT過電流可采用集射極電壓狀態(tài)識別保護(hù)方法，通常的做法是:1)切斷柵極驅(qū)動信號。只要檢測出過電流信號，就在2μs內(nèi)迅速撤除柵極信號。2)當(dāng)檢測到過電流故障信號時(shí)，立即將柵極電壓降到某一電平，在定時(shí)器到達(dá)設(shè)置值之前，若故障消失，則柵極電壓恢復(fù)正常工作值;定值時(shí)故障仍未消除，則使柵極電壓降低到零響應(yīng)。(3)過電壓保護(hù)。利用緩沖電路(吸收電路)來抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt和di/dt,減小器件的開關(guān)損耗。但由于IGBT的安全工作區(qū)寬，因而在有些應(yīng)用中可不用緩沖電路。然而，由于IGBT控制峰值電流的能力比P-MOSFET強(qiáng)，因而在有些應(yīng)用中可不用緩沖電路。(4)過熱保護(hù)。利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時(shí)，主電路跳閘以實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。此外，為了滿足實(shí)際電路的要求，IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件，使用時(shí)要加以注意。并且隨著制造水平的迅速提高，各種功能完善的IGBT智能功率模塊(簡稱IPM)層出不窮，它把驅(qū)動電路、保護(hù)電路和功率開關(guān)封裝在一起組成模塊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。五、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor，SIT），誕生于20世紀(jì)70年代，發(fā)展到現(xiàn)在已成為系列化的電力電子器件。SIT是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，而且功率容量也比電力MOSFET更大，因而適用于高頻大功率場合;目前在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。(一)SIT的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1-31ＳＩＴ結(jié)構(gòu)及符號

六、靜電感應(yīng)晶閘管(SITI)靜電感應(yīng)晶閘管(StaticInductionThyristor,SITH)誕生于1972年，其特性很多與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO快得多，是大容量的快速器件，在直流調(diào)速系統(tǒng)、高頻加熱電源和開關(guān)電源等領(lǐng)域已發(fā)揮著重要作用，但制造工藝復(fù)雜、成本高是阻礙其發(fā)展的重要因素，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。(一)SITH的工作原理

圖１－３３ＳＩＴＨ的結(jié)構(gòu)、符號（ａ）ＳＩＴＨ的結(jié)構(gòu)；（ｂ）常用符號

近年來，還研制出了其他一些新型電力電子器件。(1)IGCT集成門極換流晶閘管自20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，是從GTO發(fā)展而來的，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，但開關(guān)頻率卻高于GTO，關(guān)斷時(shí)間是GTO的1/10,容量與GTO相當(dāng)，可達(dá)5OOOA/6500V。IGCT可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。(2)IEGT電子注人增強(qiáng)型柵極晶體管是以IGBT為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，融合了IGBT和GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量可達(dá)1000A/4500V,

(3)MCT為MOS場控晶閘管，是晶閘管SCR和場效應(yīng)晶體管MOSFET復(fù)合而成的新型器件，其主導(dǎo)器件是SCR,控制元件是MOSFET。MCT具有耐壓高、大電流、通態(tài)壓降低、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。MCT是美國GE公司發(fā)起研制的，目前仍處在研制階段。(4)功率模塊與功率集成電路是20世紀(jì)80年代中后期開始出現(xiàn)的，模塊化是電力電子器件研制和開發(fā)的共同趨勢。將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，可縮小裝置體積.降低成本，提高可靠性。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口，應(yīng)用前景非常廣闊。第三節(jié)電力二極管

電力二極管((PowerDiode)自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。雖然電力二極管屬不可控型器件，但因其結(jié)構(gòu)和原理簡單、工作可靠，所以直到現(xiàn)在還大量應(yīng)用于將交流電變換為直流電且不需要調(diào)壓的場合中，特別是快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，仍分別在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合，居于不可替代的地位。

一、電力二極管的工作原理和特性電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣，都是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的。它實(shí)際上就是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成的。電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號如圖1一35所示。從外形看，電力二極管主要有螺栓型和平板型兩種封裝形式。圖１－３５電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號圖１－３６ＰＮ結(jié)的形成圖１－３７電力二極管的伏安特性曲線二、電力二極管的主要參數(shù)1.正向平均電流IF（AV）電力二極管的正向平均電流IF（AV）是指在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下允許通過的最大工頻半波電流的平均值。IF（AV）是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，元件標(biāo)稱的額定電流就是這個(gè)電流。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有1.5一2倍的裕量。2.正向壓降UF正向壓降UF是指在規(guī)定溫度下，流過某一穩(wěn)定正向電流時(shí)所對應(yīng)的正向壓降。3.反向重復(fù)峰值電壓URPM反向重復(fù)峰值電壓URPM重復(fù)施加的反向最高電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3，為反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%，也被定義為二極管的額定電壓一般在選用電力二極管時(shí)，以其在電路中可能承受的反向峰值電壓的2倍來選擇反向重復(fù)峰值電壓。4.反向恢復(fù)時(shí)間τrr反向恢復(fù)時(shí)間τrr是指電力二極管從所施加的反向偏置電流降至零起到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間。5.最高工作結(jié)溫TjM

結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用Tj表示。TjM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TjM通常在125-175℃范圍之內(nèi)。

三、電力二極管的主要類型下面按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹幾種主要電力二極管類型。1.普通二極管普通二極管(GeneralPurposeDiode)又稱整流二極管(RectifierDiode)，多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下)的整流電路中，其反向恢復(fù)時(shí)間較長，正向電流定額和反向電壓定額卻可以達(dá)到很高。2.快恢復(fù)二極管快恢復(fù)極管(FastRecoveryDiode,FRD)簡稱快速二極管.從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩